【正文】 /mm 400 臺數(shù) 1 管徑 /mm Φ25 管心距 /mm 32 管長 /mm 6000 管子排列 正三角形 管數(shù)目 /根 60 折流板數(shù) /個 39 傳熱面積 / 2m 折流板間距 /mm 150 管程數(shù) 4 材質(zhì) 10 碳鋼 主要計算結(jié)果 管程 殼程 流速 /(m/s) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) /(W/ m2 21 接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)環(huán)氧大豆油流速為 u＝ ，則接管內(nèi)徑為 ：mmmuVd 3 ??? ????? ? （ 313） 取標準管徑為 66mm； 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 smu ? ，則接管內(nèi)徑為： mmmuVd 4 ??? ????? ? （ 314） 取標準管徑為 76mm?！?/W 管壁的導(dǎo)熱系數(shù) λ=45 W/(m178。管長取 6m。 增加流體的流速，將增大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在壁面上的沉積，即降低污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，從而可減少換熱器的傳 熱面積。 碳鋼價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、造價高 U 型管式換熱器 結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合 管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。 ⑶ 脫除水后得到的環(huán)氧大豆油進入精餾塔進一步精制，該過程中溫度控制在 150℃ ，上方產(chǎn)品經(jīng)冷凝器冷凝后使溫度冷卻到 120℃ 按一定回流比進行回流塔，并得到部分滿足要求的產(chǎn)品。 反應(yīng)機理 過氧磷鎢酸季銨鹽為催化劑，其結(jié)構(gòu)式為： Q3{PO4[WO(O2)2]4)及其對應(yīng)的還原產(chǎn)物為：Q3{PO4[WO2 (O2)]4)（ Q+為季銨鹽陽離子， R 為烴基，烯烴可以是直鏈的也可以是環(huán)狀的 )。不利于環(huán)氧化反應(yīng)的進行。 該工藝過程中涉及攪拌釜、精餾塔、泵、分離器、換熱器等多種設(shè)備，本設(shè)計對其中主要設(shè)備換熱器通過物料衡算、熱量衡算進行設(shè)計研究。 板式換熱器 板式換熱器是由一系列波紋狀的薄板按照固定的間隔并通過墊片緊壓而形成的換熱器。折流桿換熱器幾乎不存在流動死區(qū)，從而徹底解決了傳統(tǒng)的折流板換熱器中存在死區(qū)的問題。并得出單頭螺紋槽管的綜合性能由于多頭螺紋槽管的結(jié)論。大量強化傳熱的工藝被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，世界換熱器產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平迅速提高 [17]。 雜多酸液相催化制備環(huán)氧大豆油的方法，其特征是以大豆油為原料，滴加雙氧水為氧源，以雜多酸鹽為催化劑，不使用任何質(zhì)子酸、羧酸或者溶劑，經(jīng)環(huán)氧化處理和精制后得到環(huán)氧大豆油 ； 原料的質(zhì)量配比如下：大豆油 ∶ 雙氧水 ∶ 催化劑＝ 1∶ ∶ ，該方法是 一種能耗低、工藝簡單、操作安全、生產(chǎn)成本低、 能滿足工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的環(huán)氧化方法 。 (鹽 )催化法 何沐光 [13]等研究以雜多酸 (鹽 )為催化劑，甲酸和雙氧水反應(yīng)生成的過氧甲酸為環(huán)氧化劑制備環(huán)氧大豆油。產(chǎn)品色澤淺。 相轉(zhuǎn)移催化環(huán)氧法 李德記、徐國財 [10]等研究用相轉(zhuǎn)移催化劑對硫酸鋁催化法合成環(huán)氧大豆油技術(shù)進行改進。并通過正交試驗證明溶液 pH 為 反應(yīng)溫度 60℃ 、反應(yīng)時間 7h的條件下，產(chǎn)物的環(huán)氧值為 ％，碘值 (100g)為 。所得產(chǎn)品色澤淺 (150)，環(huán)氧值高 (≥6． 5％ )，熱穩(wěn)定性好 (保留率 96％ )，產(chǎn)品質(zhì)量達到或超過國優(yōu)標準。 該工藝以苯為溶劑，以硫酸作催化劑。并且環(huán)氧大豆油的市場售價低于 DOP等鄰苯二甲酸酯類增塑劑，具有明顯的價格優(yōu)勢。我國已成為世界最大的增塑劑消費國。其結(jié)構(gòu)主要有如下兩種： 3 圖 環(huán)氧大豆油兩種結(jié)構(gòu)式 生產(chǎn)環(huán)氧大豆油的意義 環(huán)氧大豆油是應(yīng)用較早的無毒環(huán)保型增塑劑、固化劑 [1]，相容性好，揮發(fā)性小，無毒，可賦予制品良好的光穩(wěn)定型，熱穩(wěn)定性，耐水性，耐油性等特點，廣泛用于塑料、建筑材料、食品藥品包裝材料及制品、玩具、家庭裝飾材料和光技術(shù)薄膜等的助劑 [23]。 表 大豆油脂肪酸組成 脂肪酸名稱 分子結(jié)構(gòu)式 含量 (%) 十六酸 CH3（ CH2） 14COOH 十八酸 CH3(CH2)16COOH 順式 9十八烯酸（油酸） CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 順式 9，順式 12 十八烯酸（亞油酸） CH3(CH2)3(CH2CH=CH)2(CH2)7COOH 順式 9，順式 12，順式 15 十八烯酸（亞麻油酸） CH3(CH2CH=CH)3(CH2)7COOH 大豆油的主要物理性質(zhì)為：相對密度 ，粘度： 左右，折光指數(shù)，凝固點： 18℃ 15℃ ，皂化值（ mgKOH/g油） 188195，總脂肪酸含量（﹪），碘值（ g碘 /100g油） 120137。環(huán)氧大豆油具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性、耐水性和耐油性，并且相容性好、揮發(fā)性小、遷移性小，已發(fā)展成為第三大類增塑劑。 原料的質(zhì)量配比 為 大豆油 ∶雙氧水 ∶ 催化劑＝ 1∶ ∶ ，反應(yīng)時間 68h,反應(yīng)溫度 60℃ 70℃ ，雙氧水滴加時間控制在 5h左右，得到環(huán)氧值較高、收率較高的環(huán)氧大豆油。該方法是 一種能耗低、工藝簡單、操作安全、生產(chǎn)成本低、能滿足工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的環(huán)氧化方法 。 環(huán)氧大豆油不僅對 PVC 有增塑作用，而且由于其結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧基團可以吸收 PVC 因光和熱降解產(chǎn)生的 HCl，阻止 PVC 脫 HCl 分解反應(yīng)的進行，從而延長 PVC 制品的使用壽命。 環(huán)氧大豆油簡介 環(huán)氧大豆油又名環(huán)氧甘油三酸酯，英文名為： Epoxidized soybean oil（簡寫為 ESO）分子式： C57H98O12， 相對分子 量約 1000。且在聚氯乙烯樹脂加工中，它不僅對 PVC有增塑作用。 PVC產(chǎn)量及加工量的快速增長，刺激和拉動了國內(nèi)增塑劑的消費增長。因此環(huán)氧大豆油在我國的生產(chǎn)和應(yīng)用存在巨 大的市場空間。甲酸和雙氧水在硫酸存在下，生成過氧甲酸，再與大豆油進行環(huán)氧化反應(yīng)生成環(huán)氧大豆油。催化劑可重復(fù)使用 8 次，再生容易，無腐蝕，環(huán)境污染小。此方法避免了反應(yīng)中生成過酸，副產(chǎn)物生成量減少，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。實驗證明：初投有改進的硫酸鋁催化法合成環(huán)氧大豆油產(chǎn)品的環(huán)氧值有了很大的提高，同時大 大縮短了反應(yīng)時間環(huán)氧大豆油產(chǎn)品，且證明在投料比為： m(大豆油 )： m(30％雙氧水 )： m(甲酸 )： m(硫酸鋁 )： m(相轉(zhuǎn)移催化劑 )=1： (～ )： (～ O． 15)： (～ )：(～ )所得環(huán)氧值在 ％左右，酸值為 ～ 同時回收的催化劑仍具有良好的催化活性。該法具有工藝過程簡單，反應(yīng)時間短，產(chǎn)品環(huán)氧值高、色澤淺、酸值低等優(yōu)點。該方法環(huán)氧值可達到 ﹪。據(jù)《 20xx2017 年中國換熱器行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告》數(shù)據(jù)顯示 20xx 年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在 500 億元左右。目前無論是從傳熱、流阻、阻垢性能，還是從無相變對流換熱和有相變凝結(jié)換熱，對螺旋槽管的強化傳熱研究從理論到實際已達到較高水平。另外折流桿換熱器不易結(jié)垢，流體在流經(jīng)折流桿時產(chǎn)生文丘里效應(yīng)對管壁有強烈的沖刷作用使得污垢難以形成 [21]。國內(nèi)的一些學者對板式換熱器的研究也獲得了很大的進展。在已有條件下確定換熱器的主要尺寸，管子長度及管徑等其他重要參數(shù)。 相轉(zhuǎn)移催化環(huán)氧法 大大縮短了反應(yīng)時間 色澤較淺 催化劑難以回收；反應(yīng)中有大量有機酸生成污染環(huán)境 雜多酸液相催化法選 用雜多酸鹽為相轉(zhuǎn)移催化劑避免了強酸催化劑的 使用 使 設(shè)備的腐蝕性??；避免了羧酸的使用，后處理簡單，不存在廢水問題；避免了溶劑的使用，使得該工藝操作簡單，同時也回避了溶劑回收困難的缺點，達到了環(huán)氧化清潔生產(chǎn)的要求。 圖 過氧磷鎢酸鹽相轉(zhuǎn)移催化環(huán)氧化反應(yīng)機理 13 反應(yīng)工藝過程 通過上述資料設(shè)計環(huán)氧大豆油合成工藝流程，簡圖如圖 所示。 ⑷ 由精餾塔流出的產(chǎn)品進入換熱器內(nèi)換熱，此過程中用循環(huán)水做冷卻劑，把產(chǎn)品由120℃ 降溫到 30℃ ，冷卻水溫度由 20℃ 升溫至 40℃ 。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大大增加。 兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度 120℃ 、出口溫度 30℃ ；冷流體（循環(huán)水）進口溫度 20℃ 、出口溫度 40℃ 。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。但流速增加，流動阻力增大，動力消耗增加。管長和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D 為 4～ 6(對直徑小的 換熱器可大些 )?！?) 總傳熱系數(shù)為 510 W/(m178。 換熱器核算 熱量核算 殼程對流傳熱系數(shù) 對弓形折流板，可采用克恩公式： ?????????wed ???? 正三角形排列時當量直徑為： 220034 ( )24e tdd d???? = mππ 22?? ???????? ???? （ 315） 殼程流通截面積： 200 0 1 3 1 2 mtdBDS ??????? ?????????? ?? （ 316） 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： smu 1 3 1 2 9 6 53 6 0 0109 4 4 30 ???? 9 0 70 0 0 3 2 0 ???? 普蘭特準數(shù)： 0 0 0 3 2 3 ???? 殼程為冷卻所以粘度校正 ?????????w?? 22 ?????????wed ???? 3 ????? ? ?Cmw ??????? 1 8 013 7 4 （ 317） 管程對流傳熱系數(shù) 低粘度流體時： iii d?? ? （ 318） 管程流通截面積： ?iS ? ?22 0 0 4 7 8 m???? 管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： smu i 1 4 0 4 7 9 53 6 0 4 ???? ????i 普蘭特準數(shù)： 0 0 0 8 0 0 3 ???? iii d?? ? Cmw ??????? 傳熱系數(shù) K 1 8 010 0 0 0 2 2 0 2 0 2 0 2 0 0 0 2 0 3 30 2 1110000????????????????? soiisiiiRdbdddRddK000 84 06 24 1????? ? ?℃?? mw （ 319） 傳熱面積 S: 2339?！?) 污垢熱阻 / (m2拉桿數(shù)量與公稱直徑有關(guān)當公稱直徑滿足400≦ DN﹤ 700mm 時拉 桿數(shù)量為 4 個。管子長度 L=6000mm,型號 Φ25,筒體直徑為400mm的單殼程四管程換熱器設(shè)備。然而，當今工業(yè)環(huán)氧化過程 中普遍性使用的羧酸、硫酸等原料造成了嚴重的水體污染。 公稱直徑 DN=400mm≦ 700mm，換熱管無支撐跨距 l=150mm≦ 300mm 時折流板最小厚度 4mm,考慮到本設(shè)計管子較長增加固定支撐作用可采用折流板厚度為 6mm,計算得共39 塊折流板。選用材料 16MR 封頭與殼體連接部位法蘭 查詢法蘭國標 JB/T470120xx 可得： PN=， DN=400mm 時 D=515mm，D1=480mm,D2=450mm,D3=440m， D4=437mm, ? =30mm,d=18mm,螺柱為 M16，數(shù)量 20個。 核算壁溫 因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁壁溫按下式計算： t=iiooiimooRaRaRatRa??????11)1()1(T m （ 323） Tm=(T1+T2)/2=（ 120+30） /2=75℃ tm=+=40+20=28℃ 取兩側(cè)污垢熱阻為零計算壁溫，得傳熱管平均壁溫： t= 0 3 31 1 8 01 0 3 328 1 8 07511T m??????ioimoaaata ℃ （ 324） 殼體平均壁溫近似取殼程流體的平均溫度，即 75℃ ； 殼體平均壁溫與傳熱管平均壁溫之差： =℃ ?，F(xiàn)取傳熱管程為 L=6m 則該換熱器的管程數(shù)為： ? ? ???? lLNp （ 38） 20 傳熱管總根數(shù)： N = 415=60